基于人工智能的列尾安全防护监测与系统优化设计

摘要：列尾装置对货物列车运输安全起到了非常重要的作用，列尾装置故障会带来巨大的安全隐患和经济损失风险。探究列尾装置与监测系统的应用现状，提出一种列尾装置运行实时监测系统优化，文中阐述了该系统总体设计、功能模块设计和软硬件设计，系统主要由采集传输装置和列尾装置检测设备组成，对列尾主机、机车台的电性能与功能参数进行采集，STM32F407ZGT6主控板进行数据的接收、判断和故障报警等，同时也可传输至外部设备，以对列尾状态趋势和寿命周期等进行实时监测和综合研判，为列车运输安全提供保障。关键词：列尾装置；故障；列尾主机；实时监测系统；LORA

中图分类号：TP277文献标志码：A文章编号：1001-5922（2025）01-0181-03

Monitoring and system optimization design of column tail safety protection based on artificial intelligence

LEI Zhenjiang

（GuonengBaoshen Railway Co.，Ltd.，Feicheng 271600，Shandong China）

Abstract：The tail-train device plays a very important role in the safety of freight train transportation，and the fail-ure of the tail-train device will bring huge security risks and economic losses.Based on this，this paper briefly de-scribes the application status of tail-end device and monitoring system，proposes a real-time monitoring system for tail-end device operation，and introduces the overall design，function module design，software and hardware design of the system.The system is mainly composed of acquisition and transmission device and detection equipment of tail-end device，and collects electrical performance and functional parameters of the tail-end host and locomotive platform.The STM32F407ZGT6 main control board is used for data reception，judgment and fault alarm，etc.，and can also be transmitted to external equipment for real-time monitoring and comprehensive research and judgment of the status trend and lifecycle of the train tail，providing guarantee for the safety of train transportation.

Key words：column end device；malfunction；column end host；real-time monitoring system；LORA

列尾装置全称为列车尾部安全防护装置，主要由司机控制盒、列尾机车台、列尾装置尾部主机以及列尾主机检测台等组成，其具备的功能有：列车尾部标识，监测并通报列尾的风压，列车尾部排风制动，列尾主机电池电量不足告警以及黑匣子记录功能等。列车的安全运行是铁路运输不断追求的目标，列尾装置一旦发生故障，不仅影响列车运行秩序，还会对人身安全和经济财产造成严重威胁。列尾装置运行监测系统在提前排除故障隐患、保障行车安全、防止列车二次事故等方面作用突出，成为铁路运输行业研究热点，随着无线通信技术和数据处理技术的发展，列尾装置运行监测系统得到改进和完善。

1列尾安全防护监测装置及系统运行现状

列尾装置的使用，显著提升了列车、货车的运输安全性，但在恶劣环境和通信弱场的情况下，列尾装置故障时有发生。设备使用频率越高、服役寿命越长，发生故障的风险就越大。不同的故障类型需要不同的处理方案，如果列尾故障的汇报不准确，会导致工作人员盲目臆测行事，无法及时修复故障。在日常的检测维护中，往往忽略对列尾主机及电池的全面检测。另外，部分列尾装置常规检测技术落后，不利于列车的智能化、信息化升级，可以继续使用的列尾装置被大量淘汰，造成资源浪费[1-3]。

随着列车运输需求的快速增加，列尾装置运行监测系统的开发和稳定运行成为行业研究重点。该系统能够实时获取列车的位置、风压、电压等多项重要数据，直接提升列尾作业安全性，并将数据传输到相关服务器，供铁路局以及各级运输指挥部门实时查阅和分析，为列车的运营决策提供帮助，实现有效的故障预防和处理[4-5]。列尾装置运行监测系统的应用，可避免因安全事故造成的巨大财产损失，还可减轻工作人员劳动强度，提高铁路运营的服务质量等，带来的经济效益明显。

2列尾安全防护监测装置及系统优化设计

2.1系统总体设计

该系统的设计需要实时采集列尾的状态参数，采用无线传输和有线传输技术将数据汇聚到系统主控中心，解析处理后进行列尾装置运行现场监测和远程监测。性能方面，要求节点通信网络覆盖范围广、数据采集节点低功耗，还要保障采集信号的实时性等。本文提出了一种列尾装置运行实时监测系统，图1即为该系统的示意图。

由图1可知，该系统主要由数据采集接口、主控板、检测台、数据采集适配器、综合测试仪等部分组成。数据采集适配器、检测台均通过数据采集接口与主控板建立连接，完成数据传输。除数据采集接口外，与主控板相连接的3个模块均属于数据采集传输装置。该系统基于以太网技术、Lora技术分别建立有线传输方式和无线传输方式。示意图中列尾装置代表列尾主机，检测台代表列尾主机检测台。列尾装置也同样代表列尾机车台，检测台也同样代表列尾机车台出入库检测台。列尾主机安装在列车尾部，列尾机车台安装在列车车头，通过配套的列尾控制盒操作终端，实现与尾部设备的实时通信[6]。

该系统的工作过程为：综合测试仪收集列尾主机运行的主要参数，如功率、灵敏度、风压、辅助排风等，并将结果经数据采集适配器、数据采集接口，最终传输至主控板，主控板对收集的数据进行简单判断和故障通报。同时还可将这些数据以有线或无线传输方式传输至外部设备，进一步进行数据收集、共享和分析处理，全面评估与预测列尾主机的性能状态、可使用年限等，避免列尾装置资源的浪费，更重要的是实现列尾装置的智能化检测。

2.2功能模块设计

列尾主机的主要构成包括主控单元、记录单元、风压传感器及排风单元等。列尾主机检测台专用于检测列尾主机的功能和电气性能指标，为列尾主机提供电源和风源，二者建立连接后，可查询列尾主机的风压、排风和异常报警信息，保障列尾主机的安全稳定运行[7]。

列尾机车台的主要构成包括主控单元、电源单元、记录单元和列尾控制盒等。列尾控制盒由液晶显示屏、按键、电源开关等组成，通过RS-422接口与主控单元建立连接，实现人机交互、播报请求、确认等功能。主控界面显示机车号、尾部风压、列尾指令、通信状态、工作模式等详细内容。列尾机车台出入库检测台的主要构成包括系统主机、工控计算机和连接电缆等，是专用于检测列尾机车台出入库的装置，检测内容如机车台主机和列尾控制盒的运行状态、二者的通信状态以及列尾控制盒按键情况等，与列尾机车台建立连接并采集相关信息后，将结果自动上传到计算机中，以检测日志形式存储[8-10]。

设备远程监测模块设计中，列尾设备具备北斗定位功能，列尾装置可实时获取北斗定位数据，通过4G/5G公网将位置、状态等信息上传至主控板，进行数据分析后，可在显示屏实时展出，监测系统与工作人员获取设备运行状态，划分正常数据与告警数据；若有异常即可发出预警，进行故障的判断、预测，保障列尾装置的稳定运行[11-12]。

2.3硬件设计

2.3.1主控板

列尾装置运行实时监测系统的设计中，采用芯片型号为STM32F407ZGT6的主控板，该芯片以高达168 MHz的频率运行，集成了高速嵌入式内存，最大1 MB的闪存，I/O接口数量较多，具有标准和高级功能通讯接口，电源电压为3.3 V，可较好满足列尾装置运行实时监测系统构建需求[13]。

2.3.2数据存储器

监测系统采用的是MICRON品牌的数据存储器，芯片型号为MT29F1G08ABAEAWP：E，该存储器类型为非易失，存储器格式为闪存，存储容量为1 GB，数据总线宽度为8 bit，芯片工作电压为2.7～3.6 V[14]。

2.3.3 LORA无线传输模块

LORA无线传输具有微功率、传输距离远、网络容量大等优点，采用ATK-LORA-01无线串口模块实现该监测系统的无线传输功能，模块设计采用的是SX1278射频芯片。LORA模块共32个通道，支持在线修改串口工作模式、发射功率等参数，接收灵敏度达-136 dBm。模块内部存在数据缓存器FIFO，读取缓存器中的数据自动分包发送，接收数据时，先将其存到FIFO，再通过串口发送给STM32主控板[15]。该模块的工作电压为3.3～5 V，通常有4种工作模式，分别为一般模式、唤醒模式、省电模式和信号强度模式，在此选择唤醒模式，数据包发射前自动增加唤醒码。

2.3.4电源模块

电源模块的设计需要综合考虑监测系统各个模块的供电需求，上述硬件设计的工作电压存在差异，在此选用12 V锂电池组供电，通过降压芯片L7805将12 V直流电降为5 V，再通过ME6211稳压芯片将其进一步降到3.3 V，为监测系统各设备和芯片提供稳定工作电压[16]。

2.4系统软件设计

列尾装置运行实时监测系统采用B/S架构和三层结构相结合的开发模式。网络技术方案为：采集到的列尾位置信息和列尾实时运行的工况信息均经安全加密后传输到公网上，再转发到铁路内网的专用服务器中，经内网服务器进行数据解密、应用[17-18]。底层数据库选用的是MySQL，应用层服务器和数据库服务器的操作系统均为WinServer2016，客户端界面基于Win 7以上系统进行开发设计。列尾装置运行实时监测系统的地图展示及运行轨迹回放设计中，由于地图中的信息量非常大，地图的缩放和拖动需要大量的数据计算支撑，为保障系统较好的视觉效果，采用多线程算法和增量重绘法则。为提高数据库的应用效率，在内存中单独设立一个缓存区域，当系统启动时将相关地图数据全部加载到缓存器，绘制地图时可随时访问该缓存区，就不会与数据库服务器之间有过多的连接交互；另外一个线程负责更新缓存区的数据。在地图缩放时，大部分信息不需要重新绘制，从内存数据库中检索到缩放前后的增量数据直接绘制即可[19-20]。

3结语

随着铁路通信技术的发展和运输需求的增加，列尾装置运行监测系统的大范围推广应用是列车运输领域发展大趋势。本文提出了一种智能型的列尾装置运行实时监测系统，对系统的总体设计、工作流程、功能模块设计以及软硬件设计进行了详细的探究。该监测系统的设计开发不仅有利于提升列车运输安全，还可促进列车运输智能化与信息化发展，具有较好的社会效益和经济效益，在铁路发展中起到重要作用。

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（责任编辑：苏幔，平海）